盤刷式光伏清掃機器人結構與驅動設計研究

摘 要：針對光伏電站中運維使用的清掃機器人輕量化設計問題，提出一種盤刷式光伏清掃機器人結構并設計驅動系統(tǒng)。首先，在現(xiàn)有輪式機器人基礎上，將盤刷與機器人驅動輪集成為一體，設計緊湊型機器人結構，在機器人運動過程中同步實現(xiàn)組件表面清掃，并對電機支架進行優(yōu)化設計。其次，采用四輪驅動方式，設計盤刷式光伏清掃機器人驅動系統(tǒng)軟硬件。在屋頂光伏組件表面開展實驗，實驗結果表明所設計的盤刷式光伏清掃機器人結構與驅動系統(tǒng)滿足清掃需求，在夏季晴天天氣清掃一塊面積為2.44 m2的光伏組件，對比清掃前后光伏組件標準化的電氣特性，清掃后修正至標準測試條件（STC）下的最大功率提升約16.1%。

關鍵詞：機器人；光伏；太陽能發(fā)電；光伏清掃機器人；驅動系統(tǒng)

中圖分類號：TP242 " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

近年來，隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設進程的加快［1-2］，屋頂分布式光伏系統(tǒng)也在快速開發(fā)和部署，已成為優(yōu)化中國能源供給結構的重要途徑之一［1］。由于光伏組件長時間在戶外環(huán)境暴露，不可避免地受表面異物主要包括灰塵、樹葉、鳥糞等）遮擋影響，極大地影響了光伏組件對太陽輻射能量的利用，從而降低了其光電轉換效率［3］。因此，對于嚴格管理的光伏電站，需定期進行積灰清掃等運維工作，以保持系統(tǒng)處于較高的發(fā)電性能水平。

目前，光伏清掃機器人已成為光伏電站清洗運維的有效手段之一，利用清掃機器人配備的滾刷清掃光伏組件表面灰塵或雜質，通過半自動遙控、全自動導航等方式控制機器人清掃過程，清潔效率高、人工強度小，可實現(xiàn)自主運維，可有效提升光伏組件的發(fā)電效率和穩(wěn)定性，降低光伏電站的運維成本［4］。當前光伏清掃機器人類型主要包括軌道式、吸附式、履帶式幾種類型［4-6］。軌道式清掃機器人利用組件邊框作為運動軌道，適用于支架上組件規(guī)格、布局較為一致的光伏陣列清掃任務，因此靈活性不強，場地適應能力有限［4］。吸附式光伏清掃機器人本體結構包括吸附機構與毛刷，依靠內(nèi)部多涵道風扇實現(xiàn)負壓吸附，其邊緣安裝有毛刷，利用吸附能力可在傾角較大的光伏組件表面進行清掃，但多涵道風扇結構使機器人整體體積偏大，且吸附力較大時可能導致太陽電池隱裂［5］。履帶式光伏清掃機器人利用履帶作為機器人驅動機構，在機器人前端裝有滾刷，可在驅動過程中對組件同步清掃［6］，適用于屋頂傾角更低的光伏陣列，且無需對組件邊框進行改造或調(diào)整，但機器人整體體積及質量較大，亦存在壓裂太陽電池的隱患。

綜上可見，現(xiàn)有光伏清掃機器人的運動靈活性有待提升，如何在保證清掃效果的同時具有更緊湊的輕量化結構，進一步減小其體積與質量，已成為改進光伏清掃機器人的方向之一［7］。本文在現(xiàn)有輪式機器人基礎上，提出一種盤刷式光伏清掃機器人，并設計機器人本體結構與驅動系統(tǒng)，通過將盤刷與機器人驅動輪集成一體，在機器人運動過程中同步實現(xiàn)組件表面清掃。該盤刷式光伏清掃機器人整體結構設計更為緊湊，可在多種安裝傾角的光伏陣列上執(zhí)行清掃任務。

1 本體與電機支架結構設計

1.1 本體結構設計

所提盤刷式光伏清掃機器人本體三維模型如圖1所示。機器人本體結構主要由清掃機構、移動機構、連接機構組成。由于當前光伏組件表面以光伏鋼化玻璃為主，清掃機構中盤刷采用高密度細羊毛清潔布，將其粘貼于植絨自粘盤，可滿足機器人運動所需摩擦力，亦便于長期使用后更換盤刷。機器人移動機構包括驅動電機與自粘盤，將4個自粘盤作為驅動輪驅動機器人運動，自粘盤一側盤面粘貼有清潔布與光伏組件表面呈局部接觸，另一側通過螺釘與輪軸固定，輪軸通過聯(lián)軸器直連驅動電機軸。機器人連接機構主要包括底盤、電機支架，其中電機支架將4個驅動電機以對稱方式固定在底盤上，電機支架設計有折彎角度，由于電機軸與盤刷垂直安裝，使得盤刷表面與光伏組件表面呈較小角度。如圖2所示，在清掃過程中，盤刷式車輪與光伏組件接觸的一側受到與驅動切向力相反方向的摩擦力，從而驅使機器人前進、后退或旋轉，機器人在光伏組件表面行駛的同時，盤刷底部的清潔布擦拭光伏組件以實現(xiàn)清潔功能。

考慮到盤刷式光伏清掃機器人在光伏組件上作業(yè)時需避免對組件沖擊振動，防止造成太陽電池隱裂，因此對機器人運動平穩(wěn)性要求較高，結合機器人的清掃需求考慮，設計機器人最大移動速度0.2 m/s，啟動4 s內(nèi)達到額定運行速度，因此機器人啟動所需的加速度為：

[a=vmaxΔt] （1）

式中：[a]——機器人啟動加速度，m/s2；[vmax]——機器人最大移動速度（即輪外圓線速度），m/s；[Δt]——啟動時達到額定速度耗時，s。

則機器人驅動輪理論最大轉速[nmax]為：

[nmax=vmax2πr] （2）

式中：[nmax]——驅動輪理論最大轉速，r/min；[r]——驅動輪半徑，m。

同時由摩擦系數(shù)可求出各輪上所需的摩擦力[f]：

[f=μmg4] （3）

式中：[f]——摩擦力，N；[μ]——驅動輪清潔布與光伏組件表面摩擦系數(shù)；m——機器人總質量，kg；[g]——重力加速度，m/s2。

則單輪總驅動力[F]為：

[F=f+ma4] （4）

式中：[F]——單輪總驅動力，N。

可依據(jù)驅動輪最大轉速求出所需電機轉矩[T]與功率[P0]：

[T=Frη] （5）

[P0=Frnmax9.549] （6）

式中：[T]——電機轉矩，Nm；[η]——機械傳動效率，取80%；[P0]——電機功率，W。

所設計的盤刷式清掃機器人結構部分質量為2 kg，預留負載3 kg，經(jīng)摩擦角實驗測試，驅動輪清潔布與光潔的光伏組件表面摩擦系數(shù)為0.64，驅動輪半徑為50 mm。由式（5）計算得所需電機轉矩約0.5 Nm，因此選取驅動直流電機額定轉矩0.637 Nm，型號JGB-520，額定功率為6 W。

1.2 電機支架優(yōu)化設計

由于光伏清掃機器人需長期進行室外作業(yè)，因此電機支架選用耐腐蝕的304不銹鋼，該材料具有良好的成型性，被廣泛用于材料工藝性要求高的設備中［8］。304不銹鋼屈服強度為205 MPa，由于機器人自重較低，采用ANSYS靜力學分析電機支架的最大應力遠小于電機支架材料屈服強度，該電機支架完全滿足機械強度要求，不易發(fā)生形變。

由于機器人驅動力為盤刷局部與光伏組件表面的摩擦力，為滿足機器人驅動要求，需分析機器人盤刷與光伏組件表面夾角對其驅動性能的影響，而機器人盤刷與光伏組件表面夾角由電機支架折彎角度（即盤刷安裝角度）θ確定。如圖3所示，過大的盤刷安裝角度會導致清掃機器人重心偏高，在傾角較大的光伏組件表面易發(fā)生側翻，且過大的盤刷安裝角度會使盤刷與光伏組件間隙增大，導致清潔效率下降，故傾斜角度θ應控制在一定范圍內(nèi)，此處設計2°、4°、6°共3種電機支架對盤刷安裝角度進行實驗對比分析，實驗結果參見3.1節(jié)。

2 機器人驅動系統(tǒng)軟硬件設計

2.1 驅動系統(tǒng)硬件設計

所設計的盤刷式光伏清掃機器人的驅動系統(tǒng)硬件電路包括微控制器、四輪直流電機、編碼器接口電路、電源供電電路和藍牙通訊模塊共5個部分，硬件框圖如圖4所示，其中箭頭為信號傳遞方向。主控芯片采用STM32F407ZET6單片機，選用的JGB-520型直流電機采用驅動芯片TB6612FNG實現(xiàn)電機轉向與速度控制。利用單片機引腳捕獲功能對電機編碼器反饋的方波信號進行捕獲，并計算各電機轉速。驅動系統(tǒng)通訊模塊采用藍牙模塊與上位機通信，并預留USB串口。

盤刷式光伏清掃機器人由電池供電，考慮電機驅動芯片電壓需12 V，四輪電機總功率為24 W，設計機器人續(xù)航時長為3 h，因此選用12 V 6000 mAh聚合物鋰電池作為電源，此類電池具有能量密度高、無記憶效應和自放電率低等優(yōu)點［9］。

2.2 驅動系統(tǒng)軟件設計

所設計的盤刷式光伏清掃機器人驅動系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。首先初始化機器人運行參數(shù)，由上位機通過藍牙模塊發(fā)送指令至單片機，單片機依據(jù)指令獲取當前運動模式、速度信息并設置機器人運動模式，之后等待上位機下一

次指令。單片機定時器中斷函數(shù)中依據(jù)所設置的運動模式和速度信息，由捕獲模塊反饋的電機轉速計算相應速度誤差，采用離散比例積分微分控制（proportional-integral-derivative control，PID）調(diào)節(jié)各電機脈沖寬度控制（pulse width modulation，PWM）信號占空比進行調(diào)速控制，實現(xiàn)機器人運動速度閉環(huán)控制。

其中，采用定時測角法計算電機轉速［10］：

[n=nmNTg] （7）

式中：[n]——電機轉速，r/s；[nm]——總脈沖數(shù)；[N]——編碼器線數(shù)；[Tg]——時間間隔，s。

相應地，可估算機器人整體運動速度：

[v=2πrn=2πrnmNTg] （8）

式中：[v]——各盤刷線速度，mm/s。

3 實驗驗證

3.1 不同電機支架折彎角度對比實驗

將1.2節(jié)中提出的3種不同盤刷安裝角度θ（2°、4°、6°）的電機支架依次安裝在盤刷式光伏清掃機器人上，分別在傾角為19°和28°縱向安裝的光伏組件上進行測試，其運行示意圖如圖6所示。實驗測試表明，[θ=2°]時清掃機器人在19°傾角的光伏組件上可平穩(wěn)運行，但在28°傾角的光伏組件上由于摩擦力不足較難爬坡行駛；[θ=4°]時清掃機器人在19°傾角的光伏組件上可平穩(wěn)行駛，在前進時基本不會偏離直線軌跡，但在28°傾角的光伏組件上沿組件短邊橫向行駛會偏離直線軌跡，且同樣因摩擦力不足較難沿組件長邊爬坡行駛；[θ=6°]時清掃機器人在19°和28°傾角的光伏組件上均能平穩(wěn)運行，且運行軌跡偏差較小，以直線前進時基本可按控制直線軌跡行進。

分析結果可知，不宜選用盤刷安裝角度為2°的電機支架。從光伏組件安裝傾角方面考慮，由于華東地區(qū)大部分城市光伏組件安裝的年最佳傾角略小于所在緯度，以實驗所在城市常州為例，該地區(qū)處于北緯31.47°，光伏組件安裝的最佳傾角約為28°［11-12］。為提升盤刷式光伏清掃機器人適用場景，應選擇清掃機器人可正常作業(yè)平面傾角上限更高的安裝角度，故采用盤刷安裝角度為6°的電機支架。

3.2 機器人驅動系統(tǒng)測試

為測試盤刷式光伏清掃機器人驅動系統(tǒng)性能，在傾角28°的光伏組件上進行前進、轉向、后退運動測試。圖7為盤刷式光伏清掃機器人驅動系統(tǒng)測試過程，首先由上位機控制機器人從位置A向前運動到達位置B，在位置B處右轉繼而向前運動到達位置C，接著在位置C處左轉，繼而以后退方式到達點D，通過測試，所設計的光伏清掃機器人驅動系統(tǒng)性能滿足使用需求。

3.3 機器人清掃性能驗證實驗

為測試盤刷式光伏清掃機器人對光伏組件清掃的效果，于2023年7月4日，晴天條件下在課題組戶外光伏組件測試平臺，實測機器人清掃前后光伏組件電流-電壓（I-V）特性，并按文獻［13］的方法修正至標準測試條件（standard test condition， STC）下對比分析，相應標準化方法［13］為：

[Iref=IISC_stcISC] （9）

[Vref=V-（VOC-VOC_stc）+Rs_stc（Iref-I）] （10）

[Rs_stc=Vmpp_stc（ISC_stc-Impp_stc）ln1-Impp_stcISC_stc+Impp_stc（VOC_stc-Vmpp_stc）ISC_stc（ISC_stc-Impp_stc）ln1-Impp_stcISC_stc+I2mpp_stc]

（11）

式中：[Iref]——標準化后光伏組件電流，A；[I]——實測光伏組件電流，A；[ISC_stc]——光伏組件在STC下短路電流，A；[ISC]——實測光伏組件短路電流，A；[Vref]——標準化后光伏組件電壓，V；[V]——實測光伏組件電壓，V；[VOC]——實測光伏組件開路電壓，V；[VOC_stc]——光伏組件在STC下開路電壓，V；[Rs_stc]——光伏組件在STC下理論串聯(lián)電阻，Ω；[Vmpp_ref]——光伏組件在STC下最大功率點電壓，V；[Impp_ref]——光伏組件在STC下最大功率點電流，A。

該戶外光伏組件測試平臺中包含光伏組件I-V曲線測量儀87715D、太陽輻照度計87110A/B、PT1000組件背板溫度傳感器、配套數(shù)采工控機［14］。實驗中選用華東地區(qū)常見的黃棕土，將其隨機鋪撒在鈍化發(fā)射極和背面接觸技術（passivated emitter and rear contact， PERC）的單晶硅光伏組件表面，清掃面積約2.44 m2，該組件在實驗室中實測的STC下電氣參數(shù)如表1所示，光伏組件縱向安裝，組件傾角為28°，機器人沿組件縱向運動清掃。

圖8所示為運用所設計的盤刷式光伏清掃機器人對光伏組件清掃前后組件表面異物分布情況。清掃后組件表面仍有少量異物（其原因是機器人盤刷在清掃過程中與組件接觸處將少量沙土壓實在組件表面，該問題可通過進一步改進盤刷結構予以完善），但相比于清掃前，組件表面異物覆蓋面積已大幅減少。

圖9為清掃前后實測光伏組件I-V特性與功率-電壓（P-V）特性曲線及其標準化至STC后的對比結果。清掃前所測曲線相應實測輻照度約為681 W/m2、組件背板溫度為54.7 ℃，清掃后所測曲線相應實測輻照度為596 W/m2、組件背板溫度為46.1 ℃。在I-V特性曲線標準化過程中，首先利用表1中STC下組件電氣參數(shù)，由式（11）求出光伏組件在STC下理論串聯(lián)電阻，再將實測I-V特性曲線中[VOC、ISC]值代入式（9）、式（10）求出標準化后的I-V特性。清掃前由于組件中多個太陽電池被局部遮擋而失配，組件I-V特性呈多臺階形狀，P-V特性經(jīng)標準化后得最大功率為410.9 W，經(jīng)盤刷式清掃機器人清掃后，組件I-V特性較先前有顯著恢復，標準化后最大功率為477.2 W，STC下最大功率提升約16.1%，表明所設計的盤刷式光伏清掃機器人在清掃后對發(fā)電性能有一定提升。

4 結 論

針對屋頂光伏陣列表面清掃需求以及清掃機器人緊湊性結構要求，本文提出一種新型的盤刷式光伏清掃機器人本體結構。通過將盤刷與機器人驅動輪集成為一體，在機器人運動過程中同步實現(xiàn)對組件表面的清掃，使其整體結構更為緊湊，并設計了相應驅動系統(tǒng)。通過對所提盤刷式光伏清掃機器人實驗驗證，得出以下主要結論：

1）提出盤刷式光伏清掃機器人本體結構，對盤刷安裝角度進行對比分析。采用盤刷安裝角度[θ]分別為2°與4°的清掃機器人，由于驅動所需摩擦力不足，在28°傾角的光伏組件上運行偏離直線軌跡，而盤刷安裝角度θ為6°的清掃機器人在19°和28°傾角的光伏組件上均能平穩(wěn)運行，運行軌跡偏差較小，綜合考慮所在地光伏組件安裝最佳傾角，宜選用盤刷安裝角度為6°的電機支架。

2）設計清掃機器人驅動系統(tǒng)軟硬件。在傾角28°的光伏組件上進行前進、轉向、后退運動實驗，實驗結果表明所設計的盤刷式光伏清掃機器人驅動系統(tǒng)滿足基本驅動需求。

3）于夏季晴天開展了機器人清掃性能驗證實驗，對比了清掃前后光伏組件標準化I-V與P-V特性，結果表明，對于一塊面積為2.44 m2的光伏組件，清掃后標準化至STC下的最大功率提升約16.1%，證明采用所提盤刷式光伏清掃機器人進行清掃后對組件發(fā)電性能有一定提升。

［參考文獻］

［1］ 國家發(fā)展改革委. 國家能源局關于印發(fā)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》的通知［EB/OL］. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-03/23/ content_5680759.htm.

National Development and Reform Commission. Notice of the National Energy Administration on the issuance of the“14th Five-Year Plan for modern energy system”［EB/OL］. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-03/23/conte nt_5680759.htm.

［2］ 許鳴吉， 沈磊， 李勝， 等. 計及綜合因素的光伏接入配電網(wǎng)優(yōu)選研究［J］. 電力工程技術， 2021， 40（2）： 46-52.

XU M J， SHEN L， LI S， et al. Optimization of photovoltaic access distribution network considering comperhensive" "factors［J］." "Electric" "power" "engineering technology， 2021， 40（2）： 46-52.

［3］ 寧會峰， 程榮展， 王偉志， 等. 積灰對光伏發(fā)電的影響及除塵效果實驗研究［J］. 太陽能學報， 2020， 41（11）： 120-125.

NING H F， CHENG R Z， WANG W Z， et al. Experimental study on influence of dust accumulation on photovoltaic power generation and dust removal effect［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（11）： 120-125.

［4］ 潘瞳， 孫文磊， 李紅， 等. 光伏組件智能清掃機器人設計［J］. 太陽能學報， 2021， 42（7）： 146-151.

PAN T， SUN W L， LI H， et al. Design of photovoltaic panel intelligent cleaning robot［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（7）： 146-151.

［5］ 王林， 孫慧平， 汪金芝. 負壓吸附式無軌光伏板清潔機器人結構設計［J］. 寧波工程學院學報， 2022， 34（1）： 26-31.

WANG L， SUN H P， WANG J Z. Structural design of negative pressure adsorption trackless photovoltaic panel cleaning" "robot［J］." "Journal" "of" "Ningbo" "University" "of Technology， 2022， 34（1）： 26-31.

［6］ 丁坤， 黎彰， 張經(jīng)煒， 等. 基于分層代價地圖的光伏電站清掃機器人導航方法［J］. 河海大學學報（自然科學版）， 2022， 50（2）： 105-112.

DING K， LI Z， ZHANG J W， et al. Navigation method for cleaning robot of photovoltaic power station based on hierarchical" cost" map［J］." Journal" of" Hohai" University （natural sciences）， 2022， 50（2）： 105-112.

［7］ 董伯先. 淺析光伏電站清潔機器人的應用現(xiàn)狀［J］. 太陽能， 2020 （3）： 46-50.

DONG B X. Analysis of the application of cleaning robot for PV power station［J］. Solar energy， 2020（3）： 46-50.

［8］ 惠文彬， 劉艷軍， 馬廷霞， 等. 注熱蒸汽干度測量及裝置設計［J］. 石油機械， 2017， 45（5）： 95-98， 102.

HUI W B， LIU Y J， MA T X， et al. Design of steam dryness" " "measurement" " "device［J］." " "China" " "etroleum machinery， 2017， 45（5）： 95-98， 102.

［9］ 黃凌鋒， 韓東梅， 黃盛， 等. 含有機硼的鋰離子電池聚合物電解質的研究進展［J］. 儲能科學與技術， 2023， 12（6）： 1815-1830.

HUANG L F， HAN D M， HUANG S， et al. Research progress of polymer electrolytes containing organoboron for lithium-ion" "batteries［J］." "Energy" "storage" "science" "and technology， 2023， 12（6）： 1815-1830.

［10］ 李勇， 潘松峰. 基于DSP的M/T法測速研究［J］. 工業(yè)控制計算機， 2018， 31（5）： 145-146.

LI Y， PAN S F. Research on M/T method based on DSP［J］. Industrial control computer， 2018， 31（5）： 145-146.

［11］ 李遙， 李照榮， 王小勇， 等. 基于斜面輻射組合計算模型的光伏陣列最佳傾角研究［J］. 太陽能學報， 2022， 43（5）： 127-136.

LI Y， LI Z R， WANG X Y， et al. Research on optimum tilt angle for PV array based on combination models of calculating" solar" radiation" on" inclined" surface［J］." Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（5）： 127-136.

［12］ 陳維， 沈輝， 劉勇. 光伏陣列傾角對性能影響實驗研究［J］. 太陽能學報， 2009， 30（11）： 1519-1522.

CHEN W， SHEN H， LIU Y. The effect of tilt angle on performance of photovoltaic systems［J］. Acta energiae solaris sinica， 2009， 30（11）： 1519-1522.

［13］ LIU Y J， DING K， ZHANG J W， et al. Fault diagnosis approach for photovoltaic array based on the stacked auto-encoder" "and" "clustering" "with I-V" "curves［J］." "Energy conversion and management， 2021， 245： 114603.

［14］ CHEN X， DING K， ZHANG J W， et al. A two-stage method for model parameter identification based on the maximum power matching and improved flow direction algorithm［J］. Energy conversion and management， 2023， 278： 116712.

RESEARCH ON DESIGN OF STRUCTURE AND DRIVE SYSTEM OF

DISC-BRUSH PHOTOVOLTAIC CLEANING ROBOT

Zhang Jingwei1，Yang Jiao1，Gao Ruiguang1，2，Xiong Chengcheng1，Wang Haojun1，Ding Kun1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hohai University， Changzhou 213022， China；

2. Changzhou Key Laboratory of Photovoltaic System Integration and Production Equipment Technology， Changzhou 213022， China）

Abstract：Aiming at the lightweight design of the cleaning robot for the maintenance of solar photovoltaic （PV） power station， the structure and drive system of the disc-brush PV cleaning robot are proposed and designed. At first， based on the present wheel driven robot， the disc-brush is integrated with the drive wheel of robot， and a compact robot structure is designed. The cleaning of PV module surface and movement of robot can be realized simultaneously. The dimension of motor support is also optimized. Then， using the four-wheel drive mode， the hardware and software of drive system of the disc-brush PV cleaning robot are designed. The experiments on the surface of PV module on the rooftop are implemented. Experimental results show that the designed structure and drive system of disc-brush PV cleaning robot satisfy the cleaning requirements. On a sunny day in summer， a PV module with 2.44 m2 area is cleaned. Comparing the normalized current-voltage （I-V） characteristic of PV module before and after cleaning， the maximum power of PV module corrected to standard test condition （STC） is enhanced approximate 16.1% after cleaning.

Keywords：robotics； photovoltaics； solar power generation； photovoltaic cleaning robot； drive system